Linnyer Beatrys Ruiz
MAN ´
A: Uma Arquitetura para Gerenciamento de
Redes de Sensores Sem Fio
Tese apresentada ao Curso de P´os-gradua¸c˜ao em Ciˆencia da Computa¸c˜ao da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial para a obten¸c˜ao do grau de Doutor em Ciˆencia da Computa¸c˜ao.
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Agradecimentos
Meu precioso Jesus: “Agrade¸co pela for¸ca, ref´ugio, consolo e pelo Man´a de todos os dias. Sou grata pela vida e amigos abundantes. Obrigado pela excelˆencia!”
Meu orientador e amigo Jos´e Marcos Silva Nogueira: “Agrade¸co pelo incentivo, de-dica¸c˜ao e exemplo. Sou grata pela oportunidade de trabalhar com vocˆe e honrada por tˆe-lo tido como meu orientador”.
Ao Prof. Antonio Alfredo Ferreira Loureiro: “Sou grata por sua amizade, paciˆencia, dedica¸c˜ao, ensinamentos e pelo “sim” para este trabalho”.
Ao MANNA Racing Team: Thais, Fabr´ıcio e Isabela. “Agrade¸co a honra de tˆe-los como amigos e pela dedica¸c˜ao de todos os dias (isto inclui os s´abados e domingos)”. Thadeu e Mauro Jr., quero agradecer o apoio. Aos irm˜aos Flip e Flop pelas emo¸c˜oes dos ´ultimos anos. `A “amiga-chefe” Ana Paula Silva quero agradecer pela alegria, serenidade e por tantas coisas boas que pude aprender com vocˆe.
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A PUCPR: “Agrade¸co pelo apoio nesta empreitada”. Sou grata ao Prof. Fl´avio Bor-tolozzi, Prof. Robert C. Burnett, Prof. Celso A . Kaestner, Prof. Julio Nievola, Prof. Chu Chia Gean, Prof. Manoel Camillo Penna, Prof. Josuˆe, Prof a
. Maria Julia, Prof a
. Avani, Roberto, Alice, ao pessoal do DRH e da secretaria de exatas. Meu muito obrigado ao Wilson do HSBC agˆencia PUC.
Ao CNPq: “Agrade¸co ao Governo Federal pelo incentivo”.
Aos professores Liane Tarouco (UFRG), Elias Proc´opio Duarte Jr.(UFPR) e Geraldo Robson Mateus (UFMG): “Agrade¸co pelas contribui¸c˜oes ao projeto desta tese”.
Ao Prof. Mario F. Montenegro Campos (UFMG): “Bendito o que vem em nome do Senhor!”.
Aos professores Claudionor N. Coelho Junior (UFMG) e Henrique Pacca L. Luna (UFAL): “Agrade¸co as li¸c˜oes de empreendedorismo, lideran¸ca, qualidade de vida e de-termina¸c˜ao”.
Ao Prof. Carlos Alberto Malcher Bastos (UFF): “Grata pelo apoio, aten¸c˜ao, oportu-nidades e dire¸c˜oes apontadas”.
Ao Prof. Mehmet Ulema (Manhatan College): “Minha gratid˜ao pelo incentivo a este trabalho”.
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As professoras Ana Paula Oleg´ario e Susan Strickland: vocˆes s˜ao preciosas! `
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Cida, Helv´ecio, Belkiz, Lizete, Luciana(s), Sˆonia, Gilmara, Sheila, Claudinha, Gustavo, Alexandre(s) e aos professores, Clarindo de P´adua, Arnaldo A. Ara´ujo, Wong Hao Chi, Antˆonio O. Fernandes, Alberto H. F. Laender, Newton Jos´e Vieira, Jos´e Monteiro da Mata e Antˆonio Mendes.
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As minhas amigas Kalina, Pati Correa, Pati Aguiar, Ana Luiza Bessa, Daniela Alvim, Christiane Marie, Alessandra Bomura, Adriane Loper, Sandra Calixto, Ana Carolina Fortes e Elaine Pimentel: muitas e muitas vezes vocˆes me surpreenderam. Dei muito trabalho mas Deus deu-me vocˆes. Obrigado. “Em todo tempo ama o amigo e na ang´ustia se faz o irm˜ao” (Prov´erbios 17:17).
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As minhas amigas Claudine e Edˆenia: “...mas h´a um amigo mais chegado do que um irm˜ao” (Prov 18:24). Sou grata porque Deus as usou para soprar sobre mim como vento e tirar toda cinza. “E soprou o vento do Esp´ırito Santo e o fogo recome¸cou”!
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As minhas irm˜as (Jˆo e Kennya) e meu cunhado (Paulo): “Agrade¸co pelas ora¸c˜oes, telefonemas e palavras de apoio”.
Aos meus sobrinhos (Nat´alia, Gabriel e Pedro): uma gera¸c˜ao de adoradores ultra jovens capazes de mudar a hist´oria de uma fam´ılia. Um trio sensacional!
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As minhas queridas La´ıze, Lara, Ana(s), Silmara e Heloice: “Sou grata por participarem da minha fam´ılia”.
Ao Vˆo Man´e, V´o Lady e V´o Loura: “Agrade¸co os conselhos, carinho e aten¸c˜ao”. Ao meu pais (Sidney e Julita): “Tem que dar certo, bicho do Paran´a!”. E deu! Amo vocˆes.
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A fam´ılia “Ruiz e Silva” por me fazerem rir de tanto chorar e chorar de tanto rir! Obrigado Tuti e Tatu...
Artur e Vera: sou grata pelas li¸c˜oes de amor e cuidado. Cirino, Vˆania, Lisnara e Edson: agrade¸co por orarem pelos meus sonhos e darem cobertura `as minhas decis˜oes. Erasmo, Cl´audia, L´eia e Josuel: sou grata por me receberem como fam´ılia em BH. Waldomiro e Gra¸ca Piza obrigado pelo incentivo, ado¸c˜ao e carinho.
D. Elisa, Sˆonia, Sandra, Jivago, Hiago e Elise: Grata pelo amor incondicional!
Aos amigos Sylvie, Silvio Jamil, Tati, Cristiano, Alet´eia, Xandi, D´ecio, Deffo, Raquel-zinha, Henri, Aline, SergioOl, Carlos Frederico, Ruiter, Hervaldo, L´ucio (ATM), Sica, Romanelli, Lucila, Wesley, Ben´ıcio, J´unia, Elenice, Renan, FePaix˜ao, Marciocm, Valdeci, Laudares, Polai, Lula, Kissia, Gabi, Rˆemulo, Emanoel, Valdo, Marcelo, Melissa, Simone, Umberto, Teixeira, Rafael Kelles, Loius, Paulo Marinheiro Para´ıba, Guilherme Pereira, Andreia Iabrudi, Dilu, Damacedo, P´avel, Autran, Lizandro Grenville e Luciano Gaspary: grata pelo carinho, aten¸c˜ao, piadas, discursos, etc. Momentos preciosos para mim.
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Wagner,...
Ao amigo Manoel Palhares: amigos assim, queremos aos montes. Obrigado por dividir sua fam´ılia conosco. Acredite, isso tornou nossa chegada mais suave.
Ao amigo e “suplente”: Jos´e Pio. Grata pelos preciosos conselhos, pela amizade, pela generosidade e pelo cuidado que dedicou a mim e ao meu marido.
Aos amigos Rainer e Rabelo: eh! Uh! Hum!
Aos amigos do Coreu (Bairro Cora¸c˜ao Eucar´ıstico): Marcelo, Hugo, Cosme, Kelly,...Obrigado. Ao meu MANNArido Camillo: “La vie en rose!”
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Resumo Estendido
O documento desta tese foi originalmente redigido em inglˆes com t´ıtulo: “MANNA:
A Management Architecture for Wireless Sensor Networks”. Para estar em conformidade
com as normas da Universidade Federal de Minas Gerais, este resumo em portuguˆes faz uma exposi¸c˜ao abreviada de cada um dos cap´ıtulos que comp˜oe esta tese.
Resumo do Cap´ıtulo 1 – Introdu¸c˜
ao
Um dos objetivos desta tese ´e estudar o problema do gerenciamento em Redes de Sen-sores Sem Fio (RSSFs), procurando entender as necessidades, os requisitos e as quest˜oes relacionadas ao tema e identificando as diferen¸cas em rela¸c˜ao ao gerenciamento de outras redes. Delinear solu¸c˜oes de gerenciamento para RSSFs ´e o objetivo principal.
RSSFs ´e um tema recente de pesquisa e que se encontra na fronteira tecnol´ogica. At´e o momento, n˜ao foram encontrados na literatura trabalhos que proponham uma solu¸c˜ao de gerenciamento para tais redes ou discutam as diferen¸cas entre o gerenciamento de redes tradicionais e o gerenciamento de RSSFs.
Tomando como pressuposto b´asico que o gerenciamento de RSSFs deve ser simples, aderente `as peculiaridades dessas redes, incluindo tamb´em o seu dinamismo, e eficaz no uso dos recursos escassos, esta tese prop˜oe um arcabou¸co para o gerenciamento de tais redes.
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que tamb´em ´e ´util na defini¸c˜ao da informa¸c˜ao e no desenvolvimento de servi¸cos e aplica¸c˜oes de gerenciamento.
O arcabou¸co proposto inclui uma arquitetura de gerenciamento chamada MANNA1
. Esta arquitetura ´e baseada no paradigma de computa¸c˜ao autonˆomica [40] que permite definir solu¸c˜oes de auto-gerenciamento (self-management). A arquitetura MANNA prop˜oe que as RSSFs sejam auto-gerenciadas e que para isto utilizem fun¸c˜oes e servi¸cos au-tom´aticos, isto ´e, executados com o m´ınimo de interferˆencia humana. O principal objetivo da arquitetura de gerenciamento ´e promover a produtividade dos recursos e a qualidade dos servi¸cos providos.
N˜ao ´e objetivo desta tese a implementa¸c˜ao de um sistema de gerenciamento. Todavia, com o prop´osito de mostrar como o arcabou¸co, em particular a arquitetura MANNA, pode ser aplicado e atingir seus objetivos, uma solu¸c˜ao de gerenciamento foi constru´ıda para uma aplica¸c˜ao definida como estudo de caso.
Como contribui¸c˜oes, esta tese apresenta:
• Um arcabou¸co de gerenciamento para RSSFs que provˆe a distin¸c˜ao entre funcionali-dades de gerenciamento e funcionalifuncionali-dades da aplica¸c˜ao. Este arcabou¸co inclui: uma arquitetura de gerenciamento chamada MANNA, que ´e constru´ıda a partir de uma arquitetura de informa¸c˜ao, uma arquitetura funcional e uma arquitetura f´ısica (cada uma dessas sub-arquiteturas relacionadas a diferentes aspectos da solu¸c˜ao de geren-ciamento) e uma organiza¸c˜ao tridimensional para o gerenciamento de RSSFs. Duas dessas dimens˜oes, ´areas funcionais e n´ıveis de gerenciamento s˜ao comuns no gerencia-mento de outras redes mas foram redefinidas sob a perspectiva de RSSFs. A terceira dimens˜ao “funcionalidades de RSSFs” ´e tamb´em uma proposta desta tese. Esta nova dimens˜ao ´e baseada no modelo funcional e na caracteriza¸c˜ao das RSSFs que tamb´em
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MANNA - tradu¸c˜ao para a l´ıngua inglesa do termo Man´a. A palavra MANNA tem origem no hebraico
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s˜ao contribui¸c˜oes desta tese;
• Uma abordagem original para desenvolver servi¸cos e aplica¸c˜oes de gerenciamento considerando diferentes tipos de RSSFs;
• Um esquema para defini¸c˜ao de fun¸c˜oes de gerenciamento de RSSFs, assim como uma lista de fun¸c˜oes de gerenciamento e servi¸cos que podem ser executados de forma autom´atica, semi-autom´atica ou manual;
• A proposi¸c˜ao de novos modelos para representa¸c˜ao dos estados de RSSFs;
• Um modelo funcional que permite caracterizar as RSSFs;
• Um modelo gen´erico de informa¸c˜ao;
• Um arcabou¸co para simula¸c˜ao de RSSFs chamado MANNASim constru´ıdo a partir da ferramenta Network Simulator (NS-2) e que permite o desenvolvimento de aplica¸c˜oes de RSSFs;
• A aplica¸c˜ao dos conceitos do paradigma de auto-gerenciamento (self-management) em RSSFs.
Algumas das contribui¸c˜oes e resultados deste trabalho foram publicados em paralelo ao seu desenvolvimento [52, 53, 54, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 92, 93, 103, 104] e outros foram submetidos e est˜ao em processo de avalia¸c˜ao. Em alguns casos por uma quest˜ao de organiza¸c˜ao, os artigos e documentos apresentam mais detalhes do que os contidos na tese. Construir partes do sistema e desenvolver solu¸c˜oes para problemas espec´ıficos em RSSFs n˜ao s˜ao tarefas triviais. Integrar estas partes ou solu¸c˜oes de maneira a promover a produ-tividade da rede e a qualidade dos servi¸cos providos ´e um desafio ainda maior. Esta tese trata deste desafio.
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foram vistos como oportunidades de pesquisa. Era necess´ario entender as RSSFs e suas caracter´ısticas especiais para ent˜ao propor solu¸c˜oes de gerenciamento e avaliar como estas solu¸c˜oes contribuiriam para o funcionamento da rede.
O texto da tese est´a organizado da seguinte maneira. O cap´ıtulo 2 apresenta uma vis˜ao geral sobre RSSFs e n´os sensores sem fio, trata das principais diferen¸cas entre as RSSFs e outras redes, e introduz algumas aplica¸c˜oes e trabalhos relacionados. O cap´ıtulo 3 discute os desafios do gerenciamento de RSSFs e prop˜oe uma organiza¸c˜ao para o gerenciamento baseada em trˆes dimens˜oes: ´areas funcionais, n´ıveis de gerenciamento e funcionalidades. A arquitetura MANNA ´e apresentada no cap´ıtulo 4. Este cap´ıtulo prop˜oe um esquema para defini¸c˜ao de fun¸c˜oes de gerenciamento e um outro esquema para defini¸c˜ao de servi¸cos e aplica¸c˜oes de gerenciamento usando a arquitetura MANNA. O cap´ıtulo tamb´em apre-senta as sub-arquiteturas da MANNA: informa¸c˜ao, funcional e f´ısica. No cap´ıtulo 5, uma aplica¸c˜ao para monitora¸c˜ao da qualidade do ar usando RSSFs ´e desenvolvida como estudo de caso. Alguns servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento s˜ao implementados com objetivo de prover solu¸c˜oes de gerenciamento para esta aplica¸c˜ao e mostrar como a arquitetura proposta cumpre seus objetivos. O cap´ıtulo 5 tamb´em apresenta um arcabou¸co para simula¸c˜ao de RSSFs chamado MANNASim. O cap´ıtulo 6 conclui a tese discutindo os resultados obtidos e os trabalhos futuros. Um apˆendice apresenta um estudo de caso de RSSFs autonˆomicas utilizando o servi¸co de auto-diagn´ostico.
Resumo do Cap´ıtulo 2 - Redes de Sensores Sem Fio
O cap´ıtulo 2 prop˜oe um estudo sobre RSSFs, incluindo uma vis˜ao geral de suas carac-ter´ısticas b´asicas na se¸c˜ao 2.1. RSSFs tˆem sido viabilizadas pela r´apida convergˆencia de trˆes tecnologias: circuitos integrados, comunica¸c˜ao sem fio e micro sistemas eletro-mecˆanicos. Uma RSSF pode ser usada para monitorar e controlar um ambiente. Este tipo de rede tende a ser formada por centenas ou milhares de dispositivos autˆonomos chamados n´os sensores.
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oceanos, vulc˜oes, rios, florestas, etc.) e sem a interven¸c˜ao de t´ecnicos ou operadores formam uma rede sem fioad hoc (ver figura 2.1) que coleta dados sobre os fenˆomenos de interesse, realiza processamento local, e dissemina as informa¸c˜oes para um ponto de acesso atrav´es do qual a rede comunica-se com outras redes ou com usu´arios.
Algumas caracter´ısticas especiais das RSSFs s˜ao:
• Fluxo de dados predominantemente unidirecional: os dados s˜ao disseminados dos n´os sensores em dire¸c˜ao ao ponto de acesso utilizando n´os intermedi´arios como roteadores (ver figura 2.2). Em RSSFs que utilizam r´adio freq¨uˆencia para transmiss˜ao, a ativi-dade de maior consumo de energia ´e a transmiss˜ao de dados. A energia consumida com a transmiss˜ao via r´adio pode variar com o quadrado do alcance de transmiss˜ao. Uma forma de economizar energia ´e se utilizar alcance pequenos de transmiss˜ao. As-sim, os n´os coletam dados e se usam os n´os intermedi´arios para retransmiss˜ao desses dados at´e a entrega ao ponto de acesso;
• Topologia dinˆamica: mesmo que os n´os n˜ao sejam m´oveis, eles podem ocasionar altera¸c˜oes na topologia quando saem de servi¸co por problemas tais como quebras e defeitos resultantes da deposi¸c˜ao, falta de energia, amea¸cas e ataques `a seguran¸ca, problemas de calibra¸c˜ao dos dispositivos sensores, falhas nos componentes e falhas de comunica¸c˜ao;
• Dependˆencia da aplica¸c˜ao: os parˆametros de configura¸c˜ao, opera¸c˜ao e manuten¸c˜ao das RSSFs variam com o tipo de aplica¸c˜ao. Qualquer projeto (hardware ou software) ou solu¸c˜ao proposta para estas redes ou seus elementos deve levar em considera¸c˜ao essas caracter´ısticas e restri¸c˜oes, assim como as caracter´ısticas do ambiente onde tais redes ser˜ao aplicadas. Isto determina o desenvolvimento de diferentes arquiteturas de n´os sensores ou diferentes configura¸c˜oes para arquiteturas existentes, assim como o desenvolvimento de solu¸c˜oes de gerenciamento compostas por diferentes servi¸cos e fun¸c˜oes;
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operam sem interven¸c˜ao humana direta;
• Apresentam restri¸c˜oes severas de energia, e devem possuir mecanismos para auto-configura¸c˜ao e adapta¸c˜ao devido a problemas como falhas de comunica¸c˜ao, varia¸c˜oes nas condi¸c˜oes ambientais e perda de n´os (ver figura 2.3). Para as RSSFs, falhas n˜ao s˜ao exce¸c˜oes mas acontecimentos comuns;
• Tendem a serem autˆonomas e requerem um alto grau de coopera¸c˜ao entre os elemen-tos de rede para executar um objetivo comum. Na maioria das aplica¸c˜oes de RSSFs, os elementos de rede executam tarefas comuns enquanto que nas redes tradicionais os elementos executam aplica¸c˜oes diferentes.
• Podem ser organizadas em grupos de n´os. Para cada grupo deve existir um n´o l´ıder que recebe os dados coletados dos n´os comuns, realiza o processamento local e envia as informa¸c˜oes resultantes para o ponto de acesso. A comunica¸c˜ao entre o l´ıder e os n´os comuns pode ser realizada em multi-saltos ou diretamente (ver figura 2.4).
O projeto de uma RSSF ´e influenciado por muitos fatores que incluem tolerˆancia a fa-lhas, escalabilidade, custo de produ¸c˜ao, ambiente operacional, topologia da rede, restri¸c˜oes de hardware, meio de transmiss˜ao e consumo de energia. Cada um destes fatores exige requisitos espec´ıficos na concep¸c˜ao e projeto dos n´os, assim como em todas as camadas da pilha de protocolos de comunica¸c˜ao.
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al´em de promover a produtividade da rede e a qualidade dos servi¸cos providos por ela. Os elementos de uma RSSFs, os n´os sensores, tendem a ser projetados com pequenas dimens˜oes (cm3
ou mm3
) e esta limita¸c˜ao de tamanho acaba impondo limita¸c˜oes nos re-cursos de seus componentes quais sejam, unidade de comunica¸c˜ao sem fio (transceptor), unidade de energia, unidade de sensoriamento (compostas por diferentes dispositivos sen-sores) e unidade de computa¸c˜ao (mem´oria e processador) (ver figura 2.5). O componente l´ogico de um n´o sensor ´e o software que executa no processador. Em alguns casos, uma RSSF tamb´em pode ser composta de dispositivos chamados atuadores que permitem ao sis-tema controlar parˆametros do ambiente monitorado [93]. Apesar dos n´os individualmente possu´ırem pouca capacidade computacional e de energia, um esfor¸co colaborativo entre os mesmos permite a realiza¸c˜ao de uma tarefa maior. A se¸c˜ao 2.2 apresenta as principais caracter´ısticas da arquitetura de n´os sensores sem fio.
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E importante salientar que a tecnologia para projetar e construir n´os sensores sem fio est´a comercialmente dispon´ıvel e tende a se tornar cada vez mais acess´ıvel com a produ¸c˜ao em larga escala de diferentes tipos de micro-sensores [1, 3, 4, 5, 6, 62]. A figura 2.6 apresenta alguns exemplos de n´os sensores sem fio resultantes de pesquisas em diversas institui¸c˜oes, como o COTS Dust e o Smart Dust [5] da Universidade da California, Berkeley, WINS [6] (Wireless Integrated Network Sensors) da Universidade da California, Los Angeles e JPL Sensor Webs [3] doJet Propulsion Lab da NASA.
Os principais obst´aculos ao desenvolvimento de um arcabou¸co de gerenciamento para RSSFs decorreram da novidade, da interdisciplinaridade do tema e da dificuldade associada ao entendimento dos detalhes dessas redes. Estas dificuldades foram superadas e resultaram em contribui¸c˜oes na forma de mini-cursos.
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defini¸c˜ao de requisitos de QoS (Quality of Service) para RSSFs, um mini-curso referente ao tema foi publicado no Workshop de Comunica¸c˜ao Sem Fio e Computa¸c˜ao M´ovel de 2003 [85]. Um tutorial sobre middleware e tolerˆancia a falhas em RSSFs foi publicado no Workshop de Seguran¸ca e Tolerˆancia a Falhas do Simp´osio Brasileiro de Redes de Com-putadores de 2003 [54].
Apesar da r´apida expans˜ao, as RSSFs e suas aplica¸c˜oes vˆem sendo projetadas e desen-volvidas sem considerar uma solu¸c˜ao integrada de gerenciamento. Na maioria dos casos, os pesquisadores desenvolvem solu¸c˜oes para problemas espec´ıficos, fazendo suposi¸c˜oes sobre o contexto sem considerar a integra¸c˜ao com outros trabalhos. Al´em disso, as funcionali-dades da aplica¸c˜ao s˜ao confundidas com as funcionalifuncionali-dades de gerenciamento, n˜ao havendo um mecanismo que possa propor a distin¸c˜ao entre elas. Embora isso possa n˜ao ser um problema para redes pequenas, provavelmente ser´a para RSSFs formadas por centenas ou milhares de n´os nas quais h´a a necessidade de que as redes e seus elementos se reconfigurem e se adaptem ao seu pr´oprio estado e `as condi¸c˜oes ambientais onde est˜ao operando sem interven¸c˜ao humana.
Dadas as caracter´ısticas particulares das RSSFs, fica claro que existem diferen¸cas sig-nificativas entre o gerenciamento tradicional e o gerenciamento de RSSFs. As RSSFs tem caracter´ısticas particulares que as diferenciam em muitos aspectos de outra redes, inclu-sive no que diz respeito ao gerenciamento. A se¸c˜ao 2.3 procura apontar algumas dessas diferen¸cas.
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proposta mas n˜ao est˜ao diretamente relacionados ao tema gerenciamento. Uma conclus˜ao para este cap´ıtulo ´e oferecida na se¸c˜ao 2.6.
Resumo do Cap´ıtulo 3 - Uma Organiza¸c˜
ao para o
Geren-ciamento de RSSFs
O cap´ıtulo2
3 discute os desafios impostos ao gerenciamento de RSSFs e prop˜oe uma organiza¸c˜ao tridimensional para esse gerenciamento.
Sendo as RSSFs formadas por n´os sensores autˆonomos e que operam em ´areas remotas sem interven¸c˜ao humana direta, a se¸c˜ao 3.1 prop˜oe o uso do paradigma de computa¸c˜ao autonˆomica no desenvolvimento RSSFs, o que define RSSFs auto-gerenciadas. Uma RSSF autonˆomica ou auto-gerenciada ´e respons´avel por configurar e reconfigurar a si pr´opria sem interven¸c˜ao humana direta. Conforme o caso, uma RSSF autonˆomica deve organizar-se em grupos (auto-organiza¸c˜ao), adaptar-se a mudan¸cas no ambiente e mudan¸cas em sua topologia e conectividade (auto-configura¸c˜ao). Uma RSSF autonˆomica deve otimizar seu funcionamento e monitorar seus componentes para configur´a-los `as diferentes densidades de n´os e cargas de trabalho para atender aos requisitos de qualidade de servi¸co. Ela deve implementar servi¸cos de auto-diagn´ostico para detectar problemas ou problemas em poten-cial tais como ´areas descobertas decorrentes da baixa densidade ou desperd´ıcio de energia e perdas de informa¸c˜ao em fun¸c˜ao da alta densidade de n´os. Uma RSSFs autonˆomica deve recupera-se dos problemas e eventos extraordin´arios que causem mal funcionamento de seus componentes (auto-cura). Uma RSSF autonˆomica deve detectar, identificar e proteger-se contra v´arias amea¸cas (internas e externas) para manter sua seguran¸ca e inte-gridade (auto-prote¸c˜ao). Uma RSSF autonˆomica deve conhecer seu ambiente e o contexto onde realiza duas atividades e agir de acordo com os requisitos de qualidade que foram estabelecidos (auto-consciˆencia). Uma RSSF autonˆomica deve conhecer a si pr´opria, assim
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como seus limites de opera¸c˜ao (auto-conhecimento). Uma RSSF produz e transporta os pr´oprios dados (auto-servi¸co). Ela deve negociar a realiza¸c˜ao de um servi¸co a partir de trˆes n´ıveis de qualidade: qualidade de sensoriamento, qualidade de processamento e qualidade de dissemina¸c˜ao.
A tarefa de construir e desenvolver solu¸c˜oes autˆonomas de gerenciamento em ambi-entes onde existem centenas ou milhares de n´os com caracter´ısticas particulares ´e uma tarefa complexa. Esta tarefa torna-se ainda mais dif´ıcil devido `as restri¸c˜oes de recur-sos das RSSFs. Uma boa estrat´egia para lidar com esta complexidade ´e usar dimens˜oes de gerenciamento que permitam diferentes n´ıveis de abstra¸c˜ao. Neste sentido, esta tese prop˜oe uma organiza¸c˜ao em trˆes dimens˜oes como parte do arcabou¸co de gerenciamento (ver figura 3.1). Uma dimens˜ao ´e composta pelos n´ıveis de gerenciamento (gerenciamento de neg´ocio, gerenciamento de servi¸cos, gerenciamento de rede, gerenciamento de elemento de rede) (ver figura 3.2) e outra dimens˜ao ´e composta pelas ´areas funcionais de gerencia-mento (gerenciagerencia-mento de configura¸c˜ao, gerenciagerencia-mento de falhas, gerenciagerencia-mento de desem-penho, gerenciamento de seguran¸ca e gerenciamento de contabiliza¸c˜ao) (ver figura 3.3). Estas duas dimens˜oes foram definidas e s˜ao utilizadas na organiza¸c˜ao do gerenciamento tradicional (se¸c˜ao 3.2). Contudo, elas s˜ao redefinidas sob a perspectiva de RSSFs. A ter-ceira dimens˜ao de gerenciamento, chamada “funcionalidades de RSSFs” ´e proposta por esta tese.
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Configura¸c˜ao
Composi¸c˜ao Homogˆenea Rede composta de n´os que apresentam a mesma capacidade de hardware. Eventualmente os n´os podem executar software diferente.
Heterogˆenea Rede composta por n´os com diferentes capacidades de hard-ware.
Organiza¸c˜ao Hier´arquica RSSF em que os n´os est˜ao organizados em grupos (clusters). Cada grupo ter´a um l´ıder (cluster-head)que poder´a ser eleito pelos n´os comuns. Os grupos podem organizar hierarquias entre si.
Plana Rede em que os n´os n˜ao est˜ao organizados em grupos.
Mobilidade Estacion´aria Todos os n´os sensores permanecem no local onde foram deposi-tados durante todo o tempo de vida da rede.
M´ovel Rede em que os n´os sensores podem ser deslocados do local onde inicialmente foram depositados.
Densidade Balanceada Rede que apresenta uma concentra¸c˜ao e distribui¸c˜ao de n´os por unidade de ´area considerada ideal segundo a fun¸c˜ao objetivo da rede.
Densa Rede que apresenta uma uma alta concentra¸c˜ao de n´os por unidade de ´area.
Esparsa Rede que apresenta uma baixa concentra¸c˜ao de n´os por unidade de ´area.
Distribui¸c˜ao Irregular Rede que apresenta uma distribui¸c˜ao n˜ao uniforme dos n´os na ´area monitorada.
Regular Rede que apresenta uma distribui¸c˜ao uniforme de n´os sobre a ´area monitorada.
Tamanho Pequena Rede composta de uma centena de elementos de rede. M´edia Rede composta de centenas a mil elementos de rede. Grande Rede composta por milhares de elementos de rede.
Table 1: Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a configura¸c˜ao.
as RSSFs. A classifica¸c˜ao de uma RSSF depende de seu objetivo e ´area de aplica¸c˜ao. O modelo funcional foi inicialmente publicado em [83] e serviu de base para o desenvolvimento da nova dimens˜ao de gerenciamento.
De acordo com o modelo funcional desenvolvido, as RSSFs podem ser classificadas segundo a configura¸c˜ao (ver tabela 1), o sensoriamento (ver tabela 2) e segundo o tipo de comunica¸c˜ao (ver tabelas 3 e 4). Uma RSSF tamb´em pode ser diferente segundo o tipo de processamento que executa (ver tabela 5).
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Sensoriamento
Coleta Peri´odica Os n´os sensores coletam dados sobre o(s) fenˆomeno(s) em intervalos regu-lares. Um exemplo s˜ao as aplica¸c˜oes que monitoram o canto dos p´assaros. Os sensores far˜ao a coleta durante o dia e permaneceram desligados du-rante a noite.
Cont´ınua Os n´os sensores coletam os dados continuamente. Um exemplo s˜ao as aplica¸c˜oes de explora¸c˜ao interplanet´aria que coletam dados continua-mente para a forma¸c˜ao de base de dados para pesquisas.
Reativa Os n´os sensores coletam dados quando ocorrem eventos de interesse ou quando solicitado pelo observador. Um exemplo s˜ao as aplica¸c˜oes que detectam a presen¸ca de objetos na ´area monitorada.
Table 2: Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo o sensoriamento.
Classifica¸c˜ao segundo a Comunica¸c˜ao
Dissemina¸c˜ao Programada Os n´os disseminam em intervalos regulares. Cont´ınua Os n´os disseminam os dados continuamente.
Sob eventos Os n´os disseminam os dados quando ocorre um evento pr´e-determinado.
Sob Demanda Os n´os disseminam os dados em resposta `a consulta do observador e `a ocorrˆencia de eventos.
Tipo Conex˜ao Sim´etrica Todas as conex˜oes existentes entre os n´os sensores, com exce¸c˜ao do n´o sorvedouro tˆem o mesmo alcance.
Assim´etrica As conex˜oes entre os n´os comuns tˆem alcance diferente.
Transmiss˜ao Simplex Os n´os sensores possuem transceptor que permite apenas transmiss˜ao da informa¸c˜ao.
Half-duplex Os n´os sensores possuem transceptor que permite transmi-tir ou receber em um determinado instante.
Full-duplex Os n´os sensores possuem transceptor que permite transmi-tir ou receber dados ao mesmo tempo.
Table 3: Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a comunica¸c˜ao (Parte A).
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Classifica¸c˜ao segundo a Comunica¸c˜ao Aloca¸c˜ao
de Canal
Est´atica Neste tipo de rede se existirem “n” n´os, a largura de banda ´e divi-dida em “n” partes iguais na freq¨uˆencia (FDMA –Frequency Divi-sion Multiple Access), no tempo (TDMA –Time Division Multi-ple Access), no c´odigo (CDMA – Code Division MultiMulti-ple Access), no espa¸co (SDMA –Space Division Multiple Access) ou ortogonal (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A cada n´o ´e atribu´ıda uma parte privada da comunica¸c˜ao, minimizando interferˆencia.
Dinˆamica Neste tipo de rede n˜ao existe atribui¸c˜ao fixa de largura de banda. Os n´os disputam o canal para comunica¸c˜ao dos dados.
Fluxo de Informa¸c˜ao
Flooding Neste tipo de rede, os n´os sensores fazem broadcast de suas in-forma¸c˜oes para seus vizinhos que fazem broadcast desses dados para outros at´e alcan¸car o ponto de acesso. Esta abordagem pro-move um alto overhead mas est´a imune `as mudan¸cas dinˆamicas de topologia e a alguns ataques de impedimento de servi¸co (DoS – Denial of Service).
Multicast Neste tipo de rede os n´os formam grupos e usam omulticast para comunica¸c˜ao entre os membros do grupo.
Unicast Neste tipo de rede, os n´os sensores podem se comunicar direta-mente com o ponto de acesso usando protocolos de roteamento multi-saltos.
Gossiping Neste tipo de rede, os n´os sensores selecionam os n´os para os quais enviam os dados.
Bargaining Neste tipo de rede, os n´os enviam os dados somente se o n´o destino manifestar interesse, isto ´e, existe um processo de negocia¸c˜ao.
Table 4: Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a comunica¸c˜ao (Parte B).
Classifica¸c˜ao segundo o Processamento Coopera¸c˜ao
Infra-estrutura
Os n´os sensores executam procedimentos relacionados `a infra-estrutura da rede como por exemplo, algoritmos de controle de acesso ao meio, roteamento, elei¸c˜ao de l´ıderes, descoberta de lo-caliza¸c˜ao e criptografia.
Localizada Os n´os sensores executam al´em dos procedimentos de infra-estrutura, algum tipo de processamento local b´asico como por exemplo, tradu¸c˜ao dos dados coletado pelos sensores baseado na calibra¸c˜ao.
Correla¸c˜ao Os n´os est˜ao envolvidos em procedimentos de correla¸c˜ao de da-dos como fus˜ao, supress˜ao seletiva, contagem, compress˜ao, multi-resolu¸c˜ao e agrega¸c˜ao.
xx
ciamento, no desenvolvimento de servi¸cos e aplica¸c˜oes de gerenciamento. A se¸c˜ao 3.3 apresenta a organiza¸c˜ao tridimensional proposta por esta tese.
Uma conclus˜ao para este cap´ıtulo ´e oferecida na se¸c˜ao 3.4. As contribui¸c˜oes deste cap´ıtulo foram parcialmente publicadas [79, 82, 83, 84, 85].
Resumo do Cap´ıtulo 4 - Arquitetura MANNA
A arquitetura MANNA foi proposta3
para prover solu¸c˜oes de gerenciamento para diferentes tipos de RSSFs. No cap´ıtulo 4, uma vis˜ao geral da arquitetura ´e apresentada na se¸c˜ao 4.1.
O cap´ıtulo define um esquema para se construir solu¸c˜oes de gerenciamento a partir da defini¸c˜ao de servi¸cos e fun¸c˜oes e da utiliza¸c˜ao de modelos. Fun¸c˜oes de gerenciamento representam a menor parte funcional de um servi¸co de gerenciamento. A especifica¸c˜ao de servi¸cos de gerenciamento consiste em definir quais, quando e com quais dados as tarefas de gerenciamento ser˜ao executadas. Entretanto, para as RSSFs, a arquitetura MANNA estabelece que o gerenciamento n˜ao se esgota nas fun¸c˜oes de gerenciamento, sendo necess´ario transcendˆe-las. O gerenciamento n˜ao pode executar qualquer servi¸co ou fun¸c˜ao sobre a RSSF sem conhecer as condi¸c˜oes da rede, isto ´e, sem conhecer o seu estado. Assim, as condi¸c˜oes para execu¸c˜ao de servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento s˜ao dependentes do estado da rede, representado por modelos de rede que neste texto tamb´em ser˜ao chamados de “mapas’.
A figura 4.3 apresenta o esquema para a constru¸c˜ao do gerenciamento, iniciando pela defini¸c˜ao dos servi¸cos de gerenciamento que s˜ao executados por um conjunto de fun¸c˜oes de gerenciamento. As condi¸c˜oes para execu¸c˜ao de uma fun¸c˜ao s˜ao obtidas a partir de modelos, os quais representam o estado da rede sob determinado n´ıvel de abstra¸c˜ao. Um servi¸co de gerenciamento pode utilizar uma ou mais fun¸c˜oes de gerenciamento. Diferentes servi¸cos podem utilizar fun¸c˜oes em comum, as quais utilizam modelos para recuperar um estado da rede, considerando um dado aspecto. Al´em de utilizar as informa¸c˜oes sobre o estado da
3
xxi
rede, algumas fun¸c˜oes podem ser definidas para gerar e atualizar mapas. Os servi¸cos e as fun¸c˜oes de gerenciamento utilizam e produzem informa¸c˜ao de gerenciamento.
De acordo com o modo como s˜ao implementados, os servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento podem ser: manuais, quando executadas fora do sistema de gerˆencia, semi-autom´aticos, quando executadas por um humano auxiliado por um sistema de software que fornece um modelo da rede no per´ıodo ou invocadas pelo sistema de gerˆencia, e autom´aticos, quando executadas por algum software invocado automaticamente ap´os o processamento de informa¸c˜oes obtidas a partir de um ou mais modelos de rede. Neste ´ultimo caso, quando os servi¸cos de gerenciamento s˜ao executados automaticamente sem interven¸c˜ao humana, a RSSF passa a ser um sistema de computa¸c˜ao autonˆomico [40], isto ´e, auto-gerenciado.
A se¸c˜ao 4.2 apresenta uma lista de fun¸c˜oes de gerenciamento obtidas a partir da or-ganiza¸c˜ao tridimensional proposta no cap´ıtulo 3. A se¸c˜ao 4.3 apresenta o esquema para se desenvolver solu¸c˜oes de gerenciamento a partir da defini¸c˜ao de servi¸cos e fun¸c˜oes e da utiliza¸c˜ao de modelos.
Alguns destes servi¸cos e fun¸c˜oes, assim como estrat´egias de atualiza¸c˜ao dos mapas foram implementados e testados durante o desenvolvimento da tese. Um esquema para constru¸c˜ao e atualiza¸c˜ao de mapas para RSSFs planas utilizando algoritmos distribu´ıdos foi publicado em [92]. Outro esquema para atualiza¸c˜ao de mapa de energia tolerante a falhas e utilizando m´etodos de fus˜ao por ´area foi publicado em [104]. Al´em disso, uma fun¸c˜ao de gerenciamento para identifica¸c˜ao de n´os redundantes usando Diagramas de Voronoi foi publicado em [103], um servi¸co para manuten¸c˜ao da ´area de cobertura centralizado foi definido e publicado em [79].
Os modelos de rede provem uma vis˜ao abstrata do sistema atrav´es da qual, dado um certo objetivo, ´e poss´ıvel omitir todos os aspectos n˜ao relevantes. Exemplos de modelos de rede definidos pela arquitetura MANNA s˜ao: mapa da ´area de sensoriamento, mapa da ´area de cobertura de comunica¸c˜ao, modelo de comportamento, modelo de dependˆencia, mapa de topologia, mapa de energia, modelo de conectividade, modelo de agrega¸c˜ao, modelo de custo, modelo de estimativas, modelo de consumo de energia e modelo comportamental.
flexi-xxii
bilidade, isto ´e, ela permite o gerenciamento de qualquer tipo de RSSF. Com este intuito, a arquitetura MANNA prop˜oe trˆes arquiteturas de gerenciamento – funcional, f´ısica e de informa¸c˜ao – que em seu desenvolvimento e implementa¸c˜ao tamb´em levam em conta as trˆes dimens˜oes de gerenciamento definidas no cap´ıtulo 3. A arquitetura de informa¸c˜ao (se¸c˜ao 4.4) ´e proposta para garantir solu¸c˜oes comuns para o gerenciamento atrav´es da defini¸c˜ao de uma modelo gen´erico de informa¸c˜ao4
e estrat´egias para obter esta informa¸c˜ao. Esta arquitetura define dois tipos de informa¸c˜ao para RSSFs, est´aticas (representadas atrav´es de classes de objetos) e dinˆamicas (representadas atrav´es de modelos de rede cita-dos acima). A arquitetura funcional (se¸c˜ao 4.5) ´e proposta para planejar os locais na rede onde as entidades de gerenciamento (gerentes e agentes) podem ser executadas e por quais servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento cada uma delas ser´a respons´avel. A arquitetura f´ısica (se¸c˜ao 4.6) descreve as interfaces que podem ser utilizadas para troca de informa¸c˜ao entre as entidade de gerenciamento. Ela n˜ao define ou desenvolve protocolos de comunica¸c˜ao mas sugere quais perfis podem ser mais adequados ao prop´osito da solu¸c˜ao de gerenciamento.
A se¸c˜ao 4.7 trata dos aspectos envolvidos no desenvolvimento de uma aplica¸c˜ao de gerenciamento, incluindo uma discuss˜ao sobre os tipos de gerenciamento: centralizado, hier´arquico e distribu´ıdo. A se¸c˜ao 4.8 apresenta um exemplo do uso de algumas funciona-lidades da arquitetura MANNA. Uma conclus˜ao para este cap´ıtulo ´e oferecida na se¸c˜ao 4.9. As contribui¸c˜oes deste cap´ıtulo foram parcialmente publicadas [79, 83, 92, 103, 104].
4
xxiii
Resumo do Cap´ıtulo 5 - Desenvolvendo uma Aplica¸c˜
ao
para RSSFs Cont´ınuas
Neste cap´ıtulo5
, experimentos s˜ao realizados para mostrar como o arcabou¸co de geren-ciamento proposto por esta tese pode ser usado no desenvolvimento de uma solu¸c˜ao de gerenciamento. Uma aplica¸c˜ao para monitora¸c˜ao da qualidade do ar foi definida como estudo de caso. A monitora¸c˜ao da qualidade do ar envolve a percep¸c˜ao e processamento de muitos parˆametros. Para simplificar, a rede definida realiza apenas o sensoriamento de temperatura e concentra¸c˜ao de mon´oxido de carbono. A rede continuamente coleta dados do ambiente, realiza o processamento e dissemina estes dados em dire¸c˜ao ao observador. Trata-se de uma rede de sensoriamento e dissemina¸c˜ao cont´ınua.
Diferentes cen´arios foram desenvolvidos considerando diferentes configura¸c˜oes de redes em termos de composi¸c˜ao (homogˆenea e heterogˆenea) e organiza¸c˜ao (plana e hier´arquica). As solu¸c˜oes de gerenciamento propostas consideraram as diferentes configura¸c˜oes na es-pecifica¸c˜ao das arquiteturas de informa¸c˜ao, funcional e f´ısica. Os experimentos realizados est˜ao descritos na se¸c˜ao 5.1. Uma aplica¸c˜ao de gerenciamento ´e constru´ıda selecionando alguns servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento e a informa¸c˜ao necess´aria para sua execu¸c˜ao. As escolhas foram realizadas utilizando a organiza¸c˜ao tridimensional proposta no cap´ıtulo 3.
Para a realiza¸c˜ao destes experimentos, um ambiente de simula¸c˜ao foi desenvolvido e tamb´em ´e considerado uma contribui¸c˜ao desta tese. Este ambiente ´e chamado de MAN-NASim e foi constru´ıdo a partir das funcionalidades da ferramenta de simula¸c˜ao Network Simulator (NS-2) [94]. A se¸c˜ao 5.2 apresenta uma vis˜ao geral deste ambiente que ainda est´a em fase de desenvolvimento para contemplar outras funcionalidades. Atualmente, o MANNASim ´e um projeto de software livre financiado pelo CNPq.
Os principais servi¸cos de uma RSSFs s˜ao sensoriamento, processamento e dissemi-na¸c˜ao. Para a aplica¸c˜ao definida em nossos experimentos, monitoramos a QoS utilizando
5
xxiv
as m´etricas de ´area de cobertura, precis˜ao, atraso, mensagens perdidas e consumo de ener-gia) e configura¸c˜ao de parˆametros de opera¸c˜ao da rede (utiliza-se este servi¸co nas redes homogˆeneas para estabelecer um compromisso entre o sensoriamento e a comunica¸c˜ao, isto ´e, os n´os pr´oximos ao n´o sorvedouro s˜ao programados para deixar de realizar o sensori-amento quando atingirem determinado n´ıvel de energia residual. Nas redes hier´arquicas heterogˆeneas, o servi¸co de configura¸c˜ao altera a potˆencia de transmiss˜ao, isto ´e, o alcance da comunica¸c˜ao dos n´os l´ıderes, tamb´em em fun¸c˜ao da distˆancia da esta¸c˜ao base).
Na ocorrˆencia de ´areas com alta densidade de n´os sensores, podem ocorrer ´areas de intersec¸c˜ao de sensoriamento, redundˆancia de dados, interferˆencia na comunica¸c˜ao, e des-perd´ıcio de energia. Neste caso, o servi¸co de gerenciamento identifica os n´os redundantes e os retira administrativamente de servi¸co, isto ´e, desliga os n´os por um per´ıodo de tempo. Quando os n´os principais saem de servi¸co, gerando ´areas esparsas, o servi¸co tenta ativar os n´os backups, se existirem. O servi¸co ´e realizado automaticamente promovendo a pro-dutividade dos recursos e tirando proveito da alta densidade) e monitora¸c˜ao de QoS (uma RSSF ´e usu´aria de si mesma, isto ´e, ela produz, processa e entrega sua informa¸c˜ao).
As fun¸c˜oes de gerenciamento selecionadas da lista definida na se¸c˜ao 4.2 e usadas nos experimentos, sem qualquer ordena¸c˜ao particular, s˜ao: defini¸c˜ao da ´area monitorada, dis-tribui¸c˜ao dos n´os, auto-teste dos n´os, auto-organiza¸c˜ao, controle de densidade, descoberta do mapa de topologia, agrega¸c˜ao, gera¸c˜ao do mapa de energia, gera¸c˜ao do mapa de produ¸c˜ao, escalonamento das opera¸c˜oes de gerenciamento, controle do estado operacional dos n´os, controle do estado administrativo dos n´os, gera¸c˜ao do mapa da ´area de cobertura. Os principais servi¸cos de gerenciamento selecionados da lista apresentada na se¸c˜ao 4.3 foram: planejamento da rede (este servi¸co contempla todas as fun¸c˜oes de gerenciamento que antecedem a deposi¸c˜ao dos n´os na ´area monitorada), manuten¸c˜ao da ´area de cobertura (este servi¸co executa fun¸c˜oes de monitora¸c˜ao da ´area de cobertura identificando ´areas de intersec¸c˜ao de sensoriamento e ´areas descobertas.
de-xxv
talhes podem produzir simula¸c˜oes que s˜ao incorretas ou produzem resultados que conduzem a uma impress˜ao errada. Por outro lado, um n´ıvel mais detalhado de simula¸c˜ao pode im-plicar em maior tempo de desenvolvimento, simula¸c˜ao e an´alise de resultados. A se¸c˜ao 5.3 apresenta justificativas sobre as decis˜oes tomadas no desenvolvimento das simula¸c˜oes e as condi¸c˜oes que foram assumidas como verdadeiras na condu¸c˜ao dos experimentos.
As se¸c˜oes 5.4 e 5.5 avaliam o impacto da solu¸c˜ao de gerenciamento proposta sobre a RSSFs definida como estudo de caso. Os resultados das simula¸c˜oes mostraram que o gerenciamento pode melhorar o desempenho de RSSF com v´arias configura¸c˜oes e fornecer ao observador informa¸c˜oes relevantes, sem custo adicional de consumo de energia para a rede. Uma conclus˜ao para este cap´ıtulo ´e oferecida na se¸c˜ao 5.6. As contribui¸c˜oes deste cap´ıtulo foram publicadas em [80, 81].
Resumo do Cap´ıtulo 6 - Conclus˜
ao
Nesta tese, desenvolvemos um arcabou¸co para o gerenciamento de RSSFs. Este arcabou¸co traz contribui¸c˜oes para a ´area, al´em de bases t´ecnicas para a evolu¸c˜ao desse tipo de tecnolo-gia no aspecto de gerenciamento. Tal como definido no texto, alguns princ´ıpios nortearam a concep¸c˜ao do arcabou¸co proposto, quais sejam (1) simplicidade, (2) aderˆencia `as pe-culiaridades dessas redes, incluindo tamb´em o seu dinamismo, e (3) efic´acia no uso dos recursos escassos.
xxvi
Uma solu¸c˜ao de gerenciamento que separe as funcionalidades, organize o gerenciamento e utilize um modelo gen´erico de informa¸c˜ao pode facilitar a integra¸c˜ao. A utiliza¸c˜ao do paradigma de autogerenciamento, tal como proposto pela arquitetura MANNA, tamb´em mostra-se adequada `as caracter´ısticas espec´ıficas dessas redes.
Os principais obst´aculos ao gerenciamento das RSSFs decorrem da novidade e interdis-ciplinaridade do tema e da dificuldade associada ao entendimento dos detalhes dessas redes. No processo de desenvolvimento deste trabalho, procuramos organizar o conhecimento so-bre as RSSFs propondo um modelo funcional, que permite caracterizar essas redes, e uma lista de servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento. O modelo funcional desenvolvido foi usado como base para a nova dimens˜ao de gerenciamento chamada “funcionalidades de RSSFs”. Duas outras dimens˜oes de gerenciamento comp˜oem a organiza¸c˜ao tridimensional proposta por esta tese, sendo elas ´areas funcionais de gerenciamento e n´ıveis de gerenciamento. Os servi¸cos e fun¸c˜oes de gerenciamento que comp˜oem as listas providas neste documento foram obtidos a partir do uso dessa organiza¸c˜ao tridimensional.
A arquitetura MANNA proposta no arcabou¸co, estabelece uma separa¸c˜ao entre as funcionalidades das RSSFs e as funcionalidades do gerenciamento atrav´es do uso da or-ganiza¸c˜ao tridimensional e de trˆes arquiteturas que comp˜oem o sistema de gerenciamento quais sejam, arquitetura funcional, arquitetura f´ısica e arquitetura de informa¸c˜ao. Isto tornar´a poss´ıvel a integra¸c˜ao das atividades de organiza¸c˜ao, administra¸c˜ao e manuten¸c˜ao para este tipo de rede.
xxvii
sido publicados. Ainda hoje, existem poucos algoritmos propostos nesta ´area. Um outro exemplo diz respeito ao ambiente de simula¸c˜ao. Quando o desenvolvimento teve in´ıcio e at´e o momento, nenhuma ferramenta de simula¸c˜ao espec´ıfica para RSSFs foi encon-trada dispon´ıvel para uso. Assim, para realizar os experimentos, tivemos que construir um ambiente de simula¸c˜ao a partir do simulador Network Simulator (NS-2) [94]. A m´odulo MANNASim ´e uma contribui¸c˜ao desta tese e estar´a dispon´ıvel em pouco tempo. Outros pesquisadores poder˜ao utiliz´a-la reduzindo o tempo e o esfor¸co no desenvolvimento tanto de aplica¸c˜oes como de solu¸c˜oes de gerenciamento.
Ao final do trabalho, tamb´em percebemos que algumas decis˜oes demandaram tempo e esfor¸co em dire¸c˜oes equivocadas. Em muitas ocasi˜oes tentamos superar dificuldades assumindo responsabilidades al´em do necess´ario. Nessas ocasi˜oes n˜ao t´ınhamos vis˜ao, experiˆencia, ou referˆencia a qualquer outro trabalho na literatura que indicasse a rela¸c˜ao custo benef´ıcio de tal decis˜ao. Por outro lado, a maioria das decis˜oes foram acertadas, e com isso, conseguimos chegar `a proposi¸c˜ao de uma arquitetura que foi apresentada em detalhes no texto. Um dos maiores objetivos da arquitetura MANNA ´e promover a produtividade dos recursos e a qualidade dos servi¸cos. Os experimentos realizados com a arquitetura MANNA mostraram que a solu¸c˜ao ´e vi´avel embora sua implementabilidade n˜ao tenha sido completamente testada. A implementa¸c˜ao de uma solu¸c˜ao completa de gerenciamento demandaria tempo al´em daquele definido para o desenvolvimento desta tese.
xxviii
Linnyer Beatrys Ruiz
MANNA: A Management Architecture for
Wireless Sensor Network
A thesis submitted to the Department of Com-puter Science in partial fulfillment of the re-quirements for the Degree of Doctor of Science.
Federal University of Minas Gerais
Brazil
xxx
c
°Copyright 2003 by Linnyer Beatrys Ruiz
xxxi
xxxiii
Abstract
Wireless sensor networks are becoming an increasing technology that will be used in a variety of applications such as environmental monitoring, infrastructure management, public safety, medical, home and office security, transportation, and military systems. Wireless sensor networks will also play a key role in pervasive computing where computing devices and people are connected to the Internet. However, until now, wireless sensor networks and their applications have been developed without considering a integrated management solution.
This thesis proposes a management architecture for wireless sensor networks called
MANNA. The proposed architecture establishes a separation between both sets of func-tionalities, i.e., application and management through a proposition of three architecture (information, functional, and physical) and using three management dimensions (manage-ment functional areas, manage(manage-ment levels, and WSN functionalities). This will enable the integration of organizational, administrative, and maintenance activities for this kind of network. The adoption of a strategy based on the traditional framework of functional areas and management levels will allow management integration in the future. One of the major goals of the management architecture is to promote the productivity of the network resources and the quality of the service provided.
Contents
1 Introdution 1
1.1 Objectives . . . 2 1.2 Contributions . . . 3 1.3 Thesis Organization . . . 4
2 Wireless Sensor Networks 7
2.1 Wireless Sensor Networks Overview . . . 7 2.2 Wireless Sensor Node Architecture . . . 12 2.3 Differences Among WSNs and Other Kinds of Network . . . 15 2.4 WSNs Applications . . . 17 2.5 Related Work . . . 23 2.6 Conclusion . . . 28
3 A Novel Organization for WSN Management 31
3.1 WSN Management . . . 32 3.2 Management Dimensions . . . 34 3.3 Dimensions for WSN Management . . . 36 3.3.1 Management Levels . . . 38 3.3.2 WSN Functionalities . . . 45 3.3.3 Management Functional Areas . . . 55 3.4 Conclusion . . . 60
4 The MANNA Architecture 61
4.1 The MANNA Architecture Overview . . . 62 4.2 Defining Management Functions . . . 64
xxxvi CONTENTS
4.3 Defining Management Services . . . 73 4.4 Information Architecture . . . 78 4.4.1 Static Information . . . 78 4.4.2 Dynamic Information . . . 82 4.4.3 Issues Concerning Management Information Base Implementation
and Usage . . . 84 4.5 Functional Architecture . . . 85 4.5.1 WSN Manager . . . 86 4.5.2 WSN Agents . . . 87 4.6 Physical Architecture . . . 89 4.7 Building Management Applications . . . 93 4.8 Putting It All Together . . . 96 4.9 Conclusion . . . 97
5 Developing Management Solution for Continuous WSNs 99
5.1 Experiments . . . 100 5.1.1 Simulation Approach . . . 102 5.1.2 Information Architecture . . . 104 5.1.3 Functional Architecture . . . 105 5.1.4 Physical Architecture . . . 114 5.2 MANNASim Framework . . . 115 5.3 Assumptions . . . 120 5.4 Simulation Results . . . 125 5.4.1 Delay . . . 126 5.4.2 Lost Messages . . . 126 5.4.3 Energy . . . 128 5.4.4 Production . . . 129 5.5 Results of Different Heterogeneous Hierarchical Scenarios . . . 131 5.5.1 Some Considerations about the Results . . . 133 5.6 Conclusion . . . 134
6 Conclusion 137
CONTENTS xxxvii
A Using Self-Diagnostic Management Service, a Case Study 153
List of Figures
2.1 WSN boot up. . . 8 2.2 Multi-hop communication. . . 9 2.3 Energy wave problem. . . 10 2.4 Cluster communication scheme. . . 12 2.5 Components of sensor node. . . 12 2.6 Wireless sensor nodes projects. . . 14
3.1 Management dimensions for WSNs. . . 37 3.2 Management levels. . . 39 3.3 The role of configuration management. . . 56
4.1 Intersection of the management dimensions. . . 65 4.2 Possible states of a function. . . 73 4.3 Services, functions and WSN models. . . 74 4.4 Simplified class diagram. . . 79 4.5 Management context. . . 82 4.6 Sensor and radio range possibilities. . . 84 4.7 Manager and agent location in flat WSNs. . . 88 4.8 Agent location in hierarchical WSNs. . . 90 4.9 Applying the MANNA architecture: an example. . . 97 5.1 Management trade-off. . . 101 5.2 Nodes distribution in the scenarios flat and hierarchical WSNs. . . 102 5.3 Example of access point location. . . 104 5.4 Scenarios of heterogeneous hierarchical WSNs. . . 110 5.5 An example of covered area in dense WSN. . . 112
xl LIST OF FIGURES
5.6 Backup nodes: node A is redundant. . . 112 5.7 An scheme of configuration of nodes per area. . . 113 5.8 Information flow across a WSN. . . 114 5.9 Initial class diagram of MANNASim. . . 121 5.10 Average delay in the proposed scenarios. . . 127 5.11 Message loss in the proposed scenarios. . . 128 5.12 Energy consumption in the proposed scenarios. . . 129 5.13 Average delay in heterogeneous hierarchical scenarios. . . 131 5.14 Message loss in heterogeneous hierarchical scenarios. . . 132 5.15 Energy consumption in common-nodes in heterogeneous hierarchical scenarios.132 5.16 Energy consumption in cluster-heads in heterogeneous hierarchical scenarios. 133 5.17 Energy consumption in heterogeneous hierarchical scenarios. . . 133
List of Tables
1 Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a configura¸c˜ao. . . xvii 2 Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo o sensoriamento. . . xviii 3 Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a comunica¸c˜ao (Parte A). . . xviii 4 Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo a comunica¸c˜ao (Parte B). . . xix 5 Caracteriza¸c˜ao das RSSFs segundo o processamento. . . xix
4.1 Example of usage states. . . 69
5.1 Simulation scenarios. . . 104 5.2 Heterogeneous hierarchical network scenarios. . . 110 5.3 Number of nodes producing in the homogeneous flat WSN. . . 130 5.4 Number of nodes producing in the hierarchical homogeneous and
heteroge-neous WSN. . . 130 5.5 Summary of results. . . 134
A.1 Description of the simulated scenarios for the second set. . . 159 A.2 Description of the simulated scenarios - first set of experiments. . . 167
Chapter 1
Introdution
Wireless Sensor Networks (WSNs) consisting of a large number of sensor nodes deployed over an area and integrated to collaborate through a wireless network, encourage several novel and existing applications such as environmental monitoring, health care, infrastruc-ture management, public safety, medical, home and office security, transportation, and military [8, 29, 50, 58]. These applications have been enabled by the rapid convergence of three technologies, namely digital circuit, wireless communication, and Micro Electro Me-chanical System (MEMS). These technologies have enabled very compact and autonomous sensor nodes, each containing one or more sensor devices, computations and communi-cation capabilities, and power supply. The physical dimensions of sensor nodes tend to be small (e.g., cm3
or mm3
) and the size limitation ends up restraining the power supply capacity and computational resources of the sensor nodes.
Some of the applications foreseen to sensor networks will require a large number of devices, about tens of thousands sensor nodes. Traditional methods of sensor networking represent an impractical, complex, and expensive demand on cable installation. WSNs promise several advantages over traditional sensing methods in many ways: better coverage, higher resolution, fault tolerance, and robustness. The ad hoc nature and deploy–and–leave vision make them even more attractive in military applications and other risk-associated applications such as catastrophe, toxic zones, and disaster [8, 29].
2 1.1. OBJECTIVES
Until now, WSNs and their applications have been developed without considering an integrated management solution. Several interesting works may be found in the literature about specific issues in wireless sensor networks (see Section 2.5). Some of these proposals aim at the specific function for determined WSN application, for example routing in flat networks that do environmental monitoring. To the best of our our knowledge, it has not been found in the literature any work that proposes a management architecture for WSNs. The same is true for a generic information model that includes management (managed object classes and WSN models) and support (support object classes) information.
The task of building and deploying management solutions in environments where there will be tens of thousands of network elements with particular features and organization is not trivial. To make things worse, due to physical restrictions of unattended sensor nodes, especially, energy and bandwidth restrictions, this task becomes difficult.
1.1
Objectives
This thesis aims to study the WSNs management problem in order to understand the needs, requirements and open questions about this theme as well as to identify the differences between WSNs management and traditional management In order to contribute to the progress of this and other correlated areas, this thesis proposes a framework for WSNs management. This framework must be simple, adherent to network idiosyncrasies including its dynamic behavior, and efficient in the use of scarce resources.
archi-CHAPTER 1. INTRODUTION 3
tecture called MANNA1
. This architecture is based on the paradigm of self-management which is management based on the use of automatic functions and services with a minimum of human interference.
The implementation of a management system is not objective of this thesis. Its goal is to propose a management framework for WSNs. In this direction, some experiments are presented to show how the proposed architecture achieve its objectives. One of the major goals of a management architecture is to promote network resources productivity and the quality of the service provided.
1.2
Contributions
There are several significant differences in the management of traditional networks and WSNs and until now, no work has addressed these differences [84]. In this sense, this work presents a contribution to the field, since it proposes a WSNs management architecture. The contributions presented in this thesis are:
• A management framework which allows to differentiate application functionalities from management functionalities of the WSNs. This management framework in-cludes: a management architecture for WSNs called MANNA which is organized in information, functional, and physical architectures, and the proposition of an organi-zation for WSNs management from three management dimensions, namely manage-ment levels, managemanage-ment functional areas and a novel managemanage-ment dimension called “WSN functionalities”. The traditional management dimensions are rethought for WSNs;
• A novel approach to build management services and management applications con-sidering the kind of WSN application;
1
MANNA from Hebrew Man hu: “What is this?” – food that God provided for its people during
4 1.3. THESIS ORGANIZATION
• An approach to define management functions for WSNs as well as a list of management functions and services which can be performed automatically, semi-automatically, and manually;
• A proposition of new WSN models to represent network states in different perspec-tives;
• A WSN characterization through a functional model;
• An information model for WSNs;
• A framework for developing WSN applications and management solutions based on the Network Simulator Tool (NS-2), called MANNASim;
• The use of a new paradigm called autonomic management;
Some of the contributions and results of this work have been published in parallel with its development [52, 53, 54, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 92, 93, 103, 104]. In some cases, the documents presented aspects in more details than this thesis, for a matter of space.
The progress of the WSNs area is notable. When this work began, there were few works published and various proposals still bide their time to be published. Management of WSNs is a new research area that only recently started to receive attention from the research community. Thus, when this work has started, there was no specific work in this theme. Such a scenario imposes some difficulties to perform this project as well as good opportunities.
1.3
Thesis Organization
CHAPTER 1. INTRODUTION 5
This thesis is structured into six chapters and one appendix. Chapter 2 presents an overview of WSNs, their characteristics and potential applications, shows how WSNs differs from other kinds of networks; and offers an overview about the main research topics in WSNs.
Chapter 3 discusses the management challenges for WSNs and introduces a novel or-ganization for WSNs management. The novel oror-ganization propose the use of the three management dimensions. One composed by the management levels, one by the manage-ment functional areas, and a novel dimension composed by WSN functionalities. All three dimensions are explored from a WSN perspective.
MANNA architecture and its functionalities are presented in Chapter 4. This chapter introduces the three architectures that composes the MANNA: information, functional and physical architectures. Two schemes are also proposed in this chapter: a scheme to define management functions and a scheme to build management services and management applications using the MANNA architecture.
6 1.3. THESIS ORGANIZATION
experiments; and finally, the MANNASim module is described.
Chapter 2
Wireless Sensor Networks
This chapter provides a prospective study on wireless sensor networks, including an overview of its basic characteristics (Section 2.1) and sensor node architectures (Section 2.2). The main differences among WSNs and other networks are addressed in Section 2.3. WSN and sensor nodes architecture are completely dependent on the purpose of the application. To illustrate the “application-dependent” characteristic of WSNs, Section 2.4 provides some applications of WSNs.
It has come to our knowledge that the MANNA architecture [84] is the only integrated management solution for WSNs that has been proposed in the literature. Thus, Section 2.5 aims to present an overview of the main research topics in WSNs. Some of these topics could be used to perform some management services proposed by MANNA but they are not directly related to the management architecture field. Finally, Section 2.6 a conclusion concerning the topics presented.
2.1
Wireless Sensor Networks Overview
The increasing sophistication of monitoring and controlling systems with multiple sensors has recently generated a great deal of interest in the development of WSNs. This provides distributed network access to sensors, actuators, and processors embedded in a variety
8 2.1. WIRELESS SENSOR NETWORKS OVERVIEW
of equipment, facilities, and environments, representing a significant improvement over traditional sensors. WSNs aims to collect data and sometimes control an environment. This kind of network may consist of hundreds to thousands of sensor nodes that have the capability of sensing, processing and communicating using a wireless medium [53, 52].
The sensor nodes are deployed over an area as illustrated in Figure 2.1(B). They are able to discover their locations (see Figure 2.1(C)) and organize themselves as a wireless network (see Figure 2.1(D)). The node deployment can be done, for example, by dropping a large number of sensor nodes from an airplane in a certain area or placing them in this area by hand or using a robot. Figure 2.1 illustrates a WSN life-cycle phase called “network self-boot up” [78]. A WSN must be able to operate under very dynamic conditions. Moreover, it usually works unattended in remote areas.
(A) Region of Interest (B) Node Deployment
(C) Location Discovery (D) Self-Organization
Figure 2.1: WSN boot up.
CHAPTER 2. WIRELESS SENSOR NETWORKS 9
tasks required. In this mode, sensor nodes will constitute a multi-hop network. The sensor nodes begin to establish routes by which information is passed to one or more sink nodes
(see Figure 2.2). Sink nodes are typical sensor nodes that usually differ from other types of sensor nodes in the following aspects: they have more energy, longer radio range and do not perform sensing. Furthermore, the sink node may be a data gatherer mobile node. In the literature, sink nodes are also called monitoring nodes [64]. Any other entity (non node) required to perform the functionalities of a sink node will be called Base Station
(BS) in this work. The main difference between a sink node and a base station is that base station has no resources limitation. Sink nodes and BSs can serve the purpose of collecting information from the network and sending it to one or more external entities called observers. In this case, the sink node or the base station are performing the access
point role. An access point can be composed of gateway functions to connect the WSN to
the outside world [83]. Section 3.3.2 characterizes the WSNs and introduces a functional model containing an explanation about meaning of the main terms used in WSNs.
Because sensor data is intrinsically associated with the physical context of the phe-nomenon being sensed, spatial coordinates are often a natural way to name data [67]. Be-sides addressing (naming) purpose, the node location can be employed by routing protocols that use spatial addresses and by signal processing algorithms (e.g., beamforming) that are used for tasks such as target tracking. In some applications, the resource constraints of WSNs can be better met by an attributed-based naming system than by traditional ap-proaches such as IP-addressing. Application-dependent systems such as WSNs can name and route data directly in application-level terms [34]. Thus, in some cases sensor nodes may not have global identification (ID) because of large overhead and large number of sensor nodes.
Access Point (Sink Node)
10 2.1. WIRELESS SENSOR NETWORKS OVERVIEW
In the case of ad hoc deployment, the sensor nodes should be able to cope with the resultant distribution and form connections among them. The limited available energy and small form of the sensor nodes impose a limit on the radio transmission range and suggest small multi-hop transmissions schemes (see Figure 2.2). Although the multi-hop network can operate in both sensor-to-sink or sink-to-sensor (broadcast or multicast) modes, the bulk of traffic will happen in sensor nodes near to sink node. This is due to the fact that disseminated data from all source nodes to sink node use intermediate nodes, putting a significant strain on the energy resource of the sensor nodes near the sink and making that neighborhood more susceptible to energy depletion and failure. This situation is called energy wave problem. Figure 2.3 illustrates the energy wave problem which occurs due to multi-hop communication scheme. The dark region represents unavailable sensor nodes due to energy problem. However, sensor nodes may fail due to other reasons such as mechanical failure [97].
Sink Node
Sink Node
Figure 2.3: Energy wave problem.
CHAPTER 2. WIRELESS SENSOR NETWORKS 11
The failure of sensor nodes should not affect the overall task of the WSNs. This property is related to the dependability and fault tolerance topic [14, 98, 106]. Fault tolerance is the ability to sustain network functionalities without any interruption despite sensor nodes failures. In the context of WSNs, dependability and fault tolerance are discussed in [39, 54, 104].
Communication is the major energy consumer in wireless networks, especially data transmission. The transmission power required by communication between nodes is de-pendent on distance. For example the ground-to-ground transmission costs1
3 Joules of energy to transmit 1Kb of data a distance of 100m. On the other hand, a general-purpose processor with the modest specification for 100 million instructions per second per Watt (MIPS/W) processing capability executes 300 million instructions with the same amount of energy [75]. This example suggests placing nodes closer to each other in order to reduce energy consumption and local processing of data to reduce the amount of data to be trans-mitted [76]. To reduce the amount of power spent on long distance radio transmission and to minimize the energy wave problem, the sensor nodes can also be clustered [48, 74].
The clustering algorithms can include cluster-head (leader) election mechanisms such that each sensor node is associated with a cluster-head as its leader. The cluster-head– common-node relationships are established between sensors that are able to communicate with each other. The communication between common-nodes and cluster-heads can be multi-hop (as illustrated in Figure 2.4 (A)) or single-hop (as showed in Figure 2.4 (B)).
The large use of WSNs depends on the design and development of a scalable, low-cost, sensor nodes. WSN and sensor nodes architecture are completely dependent on the purpose of the application. The section below presents the main components of sensor nodes that can be applied to WSNs.
1
12 2.2. WIRELESS SENSOR NODE ARCHITECTURE
Cluster-head Common node
(A) (B)
Figure 2.4: Cluster communication scheme.
2.2
Wireless Sensor Node Architecture
A wireless sensor node2
is composed basically of a power supply, computational module
(processor and memory), transceiver, and sensor unit (Figure 2.5). The physical and logical components of a wireless sensor node are presented below.
Power Supply
Memory
Processor
Sensor Unit Transceiver
Figure 2.5: Components of sensor node.
Power Supply. The most widely used power supply in sensor nodes is the battery. The choice of the battery type is important since it can affect the design of the sensor node. Batteries are classified in the following types [88]: linear – the battery is considered to be a bucket of energy that is linearly drawn from this bucket by the energy consumers; dependent model– it considers the rate in which the energy is drawn from the battery to compute the remaining battery lifetime at high discharge rates and the capacity of the
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CHAPTER 2. WIRELESS SENSOR NETWORKS 13
battery is reduced; and relaxation model – it takes into account a phenomenon seen in real-life batteries where the battery’s voltage recovers if the discharge rate is decreased.
Computational Module. Composed by processor and memory. It permits sensor node to process local data. Developing a node for ultra-low power represents a critical chal-lenge. In the case of processors,low power is a quality of a device that consumes low energy per clock. A device that consumes low energy per instruction is calledenergy-efficient. For example, the ATMega128L@4MHz processor consumes 16.5mW and its efficiency is 242 MIPS/W, spending 4nJ/instruction. The ARMTumb@40MHz processor consumes 75mW and its efficiency is 480 MIPS/W, spending 2.1nJ/instruction [93]. Many different types of computational modules (with processors or micro-controllers) can be integrated into a sensor node. Examples are the AT90LS8535 (4MHz, 35 pines, consumes 19.2mJ/s in active mode, 5.7mJ/s in idle mode, and 3µJ/s in sleep mode, 8 bits and 512B of RAM), and the Intel StrongARM1100 (133MHz, 32 bits, 150 MIPS/W, 16KB instruction cache, 8KB data cache, 128KB of SRAM, and 1 MB of flash memory) [93].
Transceiver. The transceiver connects the node to the network. The main types of transceivers are: radio frequency (RF), infrared and optical. Each technique has its advantages and disadvantages. An example of transceiver radio frequency is the TR1000 which has 916MHz or 433MHz of frequency, with transmission rate of 50 Kbps and ranges from 30 to 90 meters. An optical transceiver using a laser module and a Corner Cube Reflector (CCR), which has 0.5 x 0.5 x 0.1mm3
, can transmit at a rate of the 10Kbps consuming 1µWatt to 1Km of range [93].
14 2.2. WIRELESS SENSOR NODE ARCHITECTURE
pH, gas, radiative, altitude, chemical, biological, microbalance, medical, and so on).
Software. It is used to represent a set of programs and procedures which becomes an autonomous system capable of performing the information processing, relaying or rout-ing, and management tasks. As previously seen, sensor nodes have strong hardware and software restrictions in terms of processing power, memory capacity, battery lifetime, and communication throughput. These are typical characteristics of mobile and wireless de-vices and not of wired network elements. Thus, software designed for sensor nodes must consider those limitations [97], whereas an element for a wired network may have other restrictions such as performance and response time.
Figure 2.6: Wireless sensor nodes projects.
